Visualization of lithium-ion diffusion in cathode active materials particles in all solid-state battery

全固态电池正极活性材料颗粒中锂离子扩散的可视化

• 批准号: 22K05296
• 负责人: 石黒 志
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05296/
• 关键词: X線顕微分光; 全固体電池; X線結像結像顕微鏡; タイコグラフィ法; XAFS; リチウムイオン電池; X線タイコグラフィー; X線吸収微細構造; 化学状態イメージング

本年度の研究では薄膜型固体電池をターゲットに電池作動条件下、充放電過程での化学状態分布変化の可視化を各種X線顕微分光法(オペランドX線結像顕微鏡-X線吸収微細構造（TXM-XAFS）法およびオペランドX線スペクトロタイコグラフィ法)で目指した。薄膜全固体電池試料には正極にLiCoO2 （LCO）、固体電解質にLi1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 （LATP）、負極に Fe2(MoO4)3 （FMO）が積層された構造のものを用意した。薄膜電池破片をステンレス製の計測用ホルダに接着し、集束イオンビーム加工（FIB）を用いて、電池断面方向からのX 線吸収量を XAFS 解析に最適になるように幅を共に 20 μm 程度に加工した。電池試料両極はポテンショ・ガルバノスタットに接続することで、充放電操可能になり、この試料をSPring-8に持ち込み、充放電過程を少しずつ可変しながら、薄膜電池試料断面方向からのCo　K端及びFe K端 吸収端近傍TXM-XAFS計測を行った。Co K端空間分解XAFSスペクトル解析からは正極LCO層の、Fe K端空間分解XAFSスペクトル解析からは負極FMO層の、Li挿入脱離に伴う化学状態分布の変化を可視化する事ができた。充放電状態が段階てきに変えて行くに従い、両極材料のLi挿入脱離メカニズムの違いから生じる、異なる電極層内の電解質側から集電体膜方向への充電度分布変化の傾向を捉える事に成功した。また同様な加工を行った電池試料をX線スペクトロタイコグラフィ法でもオペランド計測を実施し、正極でのより高空間分解な化学状態変化を可視化する事にも成功した。

今年的研究旨在使用各种X射线显微镜检查（Operand X射线成像显微镜-X射线吸收良好的结构（TXM-XAFS）和操作量X射线光谱学）在电池操作条件下的电荷和放电过程中可视化化学状态分布的变化。制备了薄膜全稳态的电池样品，其中将LiCoo2（LCO）层压在正极电极上，LI1+X+YALXTI2-YALXTI2-XSIYP3-YO12（LATP）层压在固体电解质上，Fe2（MOO4）3（MOO4）3（FMO）在负电极上层压。将薄膜电池碎片粘附在不锈钢测量架上，并使用聚焦的离子束处理（FIB），将宽度处理至约20μm，以使XAFS分析的细胞横截面方向从细胞横截面方向吸收X射线。电池样品的两个电线杆都连接到电位galvanostat，允许充电和放电操作，并将该样品带到Spring-8，并且在逐渐更改充电和放电过程的同时，在Co K和Fe K的吸收边缘附近测量了TXM-XAFS，从Co K和Fe K的吸收边缘从薄纤维电池的横截面方向端部的横向截止方向进行了测量。从CO K端的空间解析XAFS光谱分析中，我们能够可视化化学状态分布的变化，这是由于LI插入从正LCO层和Fe k-end空间解析的XAFS光谱分析中的负FMO层的解吸。随着电荷和放电状态的逐渐变化，我们成功地捕获了电荷分布从不同电极层中电解质侧变化的趋势，这是由于两种电极材料的LI插入和解吸机制的差异所致。操作数测量还对使用X射线光谱法进行了类似处理的电池样品进行了测量，并且它也成功地可视化化学状态的变化，这些变化在正面电极上更空间分析。

项目成果

Chemical States Visualization of Cathode Active Materials by X-ray Spectroscopic Ptychogrphy

通过 X 射线光谱 Ptychogrphy 实现阴极活性材料的化学态可视化

• 发表时间: 2023
• 作者: Ishiguro Nozomu;Takahashi Yukio;Hideshi Uematsu;Nozomu Ishiguro;Masaki Abe;Syuntaro Takazawa;Syuntaro Takazawa;Jungmin Kang;Itsuki Konuma;Naoaki Yabuuchi;Yukio Takahash;Nozomu Ishiguro
• 通讯作者: Nozomu Ishiguro

硬X線スペクトロタイコグラフィによるLi過剰不規則岩塩型酸化物のLi脱離反応分布の可視化

使用硬 X 射线光谱法可视化富锂无序岩盐氧化物中的锂解吸反应分布

• 发表时间: 2023
• 作者: 上松英司，石黒志;阿部真樹;高澤駿太郎，姜正敏;小沼樹;藪内直明;高橋幸生
• 通讯作者: 高橋幸生

Nanoscale domain imaging of Li-rich disordered rocksalt-type cathode materials with X-ray spectroscopic ptychography

利用 X 射线光谱叠层成像技术对富锂无序岩盐型正极材料进行纳米域成像

• DOI: 10.1039/d2cp04087e
• 发表时间: 2023
• 期刊: Physical Chemistry Chemical Physics
• 影响因子: 3.3
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio

Ptychography-XAFS Imaging of Li-excess Rock-salt Type Vanadium Oxide Particles Synthesized by Mechanical Milling

机械铣削合成的富锂岩盐型氧化钒颗粒的叠层照相术-XAFS 成像

• 发表时间: 2022
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio

Chemical Imaging of Li-rich Disordered Rocksalt-type Vanadium Oxide Particles Using Hard X-ray Spectroscopic Ptychography

使用硬 X 射线光谱叠层照相术对富锂无序岩盐型氧化钒颗粒进行化学成像

• 发表时间: 2023
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio